铝合金激光-多股绞合焊丝MIG复合焊特性分析学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《焊接学报》2021年第42卷第1期，作者团队来自哈尔滨焊接研究院有限公司，依托国防科技基础加强计划和黑龙江省头雁行动计划资助完成。铝合金焊接因其独特的物理化学特性一直是焊接技术领域的难点，而多股绞合焊丝作为近年来发展的一种新型焊丝形式，在提升焊接效率和改善焊缝质量方面展现出独特优势。本文将激光-电弧复合焊技术与多股绞合焊丝相结合，研究铝合金焊接的工艺特性，具有重要的工程应用价值。

多股绞合焊丝的技术优势

焊丝自旋转特性

多股绞合焊丝由多根单丝绞合而成，在送丝过程中产生自旋转效应。这一特性带来了以下技术优势：

• 熔敷均匀性提升：旋转的焊丝使熔滴过渡更加均匀，减少熔池偏流现象。
• 熔池搅拌增强：旋转焊丝对熔池产生机械搅拌作用，有利于焊缝成分均匀化和组织细化。
• 气孔抑制：旋转带来的熔池扰动有助于气体逸出，降低气孔倾向。

与传统焊丝的对比

复合焊工艺特性分析

熔深影响因素

文章通过高速摄像系统提取焊接过程中熔池和匙孔特征量，系统研究了各工艺参数对焊缝成形的影响。关键发现如下：

熔深受激光能量密度主导：由于激光束具有高度指向性和集中性，焊缝熔深主要受激光能量密度影响。具体规律为：

• 熔深与激光功率呈正比关系
• 熔深与焊接速度呈反比关系
• 熔深与离焦量的绝对值呈反比关系
• 焊接电流与光丝间距对熔深影响不大

这一规律与常规焊丝激光-电弧复合焊基本一致，说明激光热源对熔深的控制作用具有普适性。

熔宽影响因素

熔宽受电弧参数主导：与熔深不同，焊缝熔宽主要受电弧参数影响，且熔宽与熔池面积变化存在一一对应关系。熔池面积增大则熔宽增加，这一对应关系为熔池视觉监控提供了直接的工艺指导意义。

余高影响因素

余高与熔敷速度相关：焊接电流越大、焊接速度越小，余高越大。这一规律符合焊接熔敷的基本原理，即单位时间内熔敷金属量增加时，若焊接速度不能相应提高，则多余金属堆积形成余高。

多股绞合焊丝在复合焊中的独特表现

电流-旋转频率-焊接效果的关联

文章发现，在焊接电流130~200 A范围内，随着焊接电流的增加，多股绞合焊丝的旋转频率增加，旋转特性带来的拓展焊缝宽度及对焊接气孔的抑制等优势更为明显。这一发现揭示了复合焊中电弧参数与焊丝特性之间的协同效应：

• 焊接电流增加 → 送丝速度增加 → 焊丝旋转频率增加
• 旋转频率增加 → 熔池搅拌增强 → 气孔抑制效果提升
• 旋转频率增加 → 熔池宽度拓展 → 焊缝成形改善

激光能量密度对绞合焊丝优势的放大效应

高能量密度激光热源的加入突出了多股绞合焊丝的自旋转特性优势。这是因为激光产生的深熔匙孔使熔池处于高度流动状态，多股绞合焊丝的旋转搅拌作用在这一状态下更加显著，对熔池的扰动和气体逸出促进作用更加明显。

气孔形成机理与抑制策略

铝合金焊接中气孔是最常见的焊接缺陷之一，其形成机理主要包括：

多股绞合焊丝的自旋转特性通过增强熔池搅拌，有效促进了溶解氢的逸出，从而抑制了氢气孔的形成。在激光-电弧复合焊中，激光产生的匙孔效应虽然增加了熔池深度，但也可能增加气孔形成的风险，多股绞合焊丝的搅拌作用恰好弥补了这一不足。

工程应用前景与技术挑战

适用场景分析

铝合金激光-多股绞合焊丝MIG复合焊特别适用于以下场景：

• 中厚板铝合金结构件的高效焊接
• 对气孔敏感性要求高的航空航天铝合金焊接
• 需要良好焊缝成形和外观质量的装饰性焊接
• 自动化焊接生产线中的高效率焊接

技术挑战

• 多股绞合焊丝的送丝设备适应性需要验证
• 复合焊工艺参数的匹配优化需要系统研究
• 不同铝合金牌号的适用性需要分别评估
• 焊接接头力学性能的长期稳定性需要跟踪研究

学习心得与启示

本文的研究将多股绞合焊丝的创新特性与激光-电弧复合焊技术有机结合，为铝合金高效高质量焊接提供了新的技术途径。从焊接工艺开发的角度看，这一研究体现了"材料-工艺-设备"协同创新的理念：通过焊丝形式的创新（多股绞合）与热源形式的创新（激光-电弧复合）相结合，实现了焊接性能的全面提升。

对于从事铝合金焊接工艺开发的工程技术人员，本文提示我们关注焊丝形式对焊接过程的影响。传统焊接工艺开发往往将焊丝视为被动材料，忽视了焊丝本身的物理特性（如绞合结构带来的旋转效应）对焊接过程的主动调控作用。未来的焊接工艺创新，应当更加重视焊接材料自身特性的挖掘和利用。